Rediseño y optimización de un receptor de alta
frecuencia para sondeo de canales MIMO
Se denomina MIMO, Multiple Input Multiple Output, a aquellos sistemas de múltiples
antenas que permiten en determinadas circunstancias de propagación mejorar la capacidad del canal
radio mediante el aprovechamiento de la estructura de multicamino inherente al canal de radio móbil
con respecto al caso SISO, Simple Input Simple Output. Dada la complejidad y el relativo poco
tiempo desde que surgieron este tipo de sistemas, el canal MIMO es relativamente desconocido y
muchas de las ventajas que pueden obtenerse de este tipo de sistemas están todavía por descubrir.
Por esta razón la Universidad de Hannover investiga para obtener un alto conocimiento de
los sistemas MIMO. Anteriormente a este proyecto ya se dio el primer paso verificando por medio
de simulaciones el potencial que ofrece este tipo de estructura de antenas.
Este proyecto comienza el segundo paso en la consecución de dicho objetivo. Este paso
consiste en el diseño de un receptor suficientemente robusto que elimina las desventajas de
diferentes prototipos diseñados en esta universidad. Este diseño tiene en cuenta todos los problemas
que pueden surgir en este tipo de canales y trata de proporcionar una señal a la salida de alta calidad.
El siguiente documento resume el proyecto fin de carrera realizado por Alfonso Rosagro
Escámez, alumno de la Universidad Politécnica de Cartagena, durante su periodo en
Hanóver (Alemania) como estudiante Erasmus. El proyecto original está redactado en
inglés y se hará referencia a él en determinadas ocasiones.
El instituto de tecnología de alta frecuencia y sistemas de radio está trabajando para
satisfacer la creciente demanda de anchos de banda de transmisión y velocidad de datos a
través de circuitos transmisores y receptores. Este trabajo se centra en explotar la
estructura de multi-camino que ofrece el canal de comunicación inalámbrico para
incrementar la velocidad de datos mediante sistemas MIMO y la calidad de la señal
recibida mediante diversidad. Se denomina MIMO, Multiple Input Multiple Output, a
aquellos sistemas de múltiples antenas que permiten en determinadas circunstancias de
propagación mejorar la capacidad del canal radio con respecto al caso de transmisiones
con una sola antena en transmisión y recepción. Concretamente dicho departamento ha
desarrollado un conjunto de antenas planares de banda ancha capaz de adaptar estos
esquemas de transmisión ya que son capaces de proporcionar caminos independientes de
transmisión. El potencial que ofrecen estas estructuras de antenas con respecto a la
comunicación MIMO ha sido verificado por medio de simulaciones basadas en análisis
de prestaciones.
Lo que se pretende en este momento es la verificación de estas simulaciones por medio
de medidas reales en un canal inalámbrico en el interior de edificios. Para ello, se ha
desarrollado un concepto básico de un sistema MIMO y se ha comenzado con la
implementación y realización de este sistema.
Concretamente, el proyecto que pretende ser explicado en este documento consiste en
llevar a cabo el sondeo de un canal MIMO en el interior de un edificio. Para ello, la
principal tarea consiste en el diseño y optimización de un receptor especial de alta
frequencia, así como su fabricación e integración con los equipos del laboratorio de dicho
departamento con el fin de llevar a cabo dicho sondeo del canal.
El concepto desarrollado contiene también una gran cantidad de procesado de señal. Por
ello, el proyecto ha sido realizado en paralelo con otro proyecto que se encarga de la
sincronización de códigos, recuperación de la portadora transmitida así como estimación
de fase y frecuencia y ciertos parámetros del canal MIMO.
Canal de comunicaciones inalámbrico
Para llevar a cabo el diseño de un receptor de alta frecuencia en canales inalámbricos es
necesario el previo conocimiento de los efectos que el canal inalámbrico produce en una
comunicación ya que éste establece varios límites tanto a la señal transmitida como a los
requerimientos del receptor. El canal inalámbrico ofrece también posibilidades a la
transmisión que están todavía por explotar. La utilización de sistemas MIMO trata de
beneficiarse de estas propiedades. Una visión general sobre el canal inalámbrico y los
sistemas MIMO es dada a continuación.
Los efectos del canal inalámbrico se pueden distinguir claramente en la señal recibida.
Dos contribuciones a la señal recibida pueden ser observadas en la figura. Una debida a
los llamados efectos de gran escala (large scale fading) y otra debido a los efectos de
pequeña escala (small scale fading).
Los efectos de gran escala representan la atenuación de la potencia media de la señal
debido a grandes desplazamientos o grandes obstáculos en el medio de propagación.
Estos efectos se pueden apreciar en la señal recibida como dos contribuciones, una
atenuación media debido a la distancia y una variación sobre la media de carácter
aleatorio en función del canal concreto medido.
Arquitecturas de receptores
Una vez conocidas los efectos del canal y posibles sistemas para aprovechar sus
propiedades, el diseño propiamente dicho del receptor puede comenzarse.
La primera fase del diseño consiste en elegir su arquitectura. Existen muchos tipos de
arquitecturas posibles y cada una tiene sus ventajas y desventajas. En la siguiente figura
se pueden ver algunas de las posibles arquitecturas.
La arquitectura adoptada en este proyecto es la arquitectura de baja frecuencia intermedia
("low IF architecture"). El principio de funcionamiento de esta arquitectura consiste en
convertir la señal de radio frecuencia recibida por la antena a una frecuencia intermedia
muy pequeña. La razón de esta elección es que dicha arquitectura evita muchos de los
problemas que tienen las demás. Por ejemplo evita el offset de continua (DC offset) que
afecta a la arquitectura de conversión directa ("direct conversion").Este problema se evita
ya que al trabajar con la señal a una frecuencia intermedia, ninguna información irá a la
frecuencia cero y por tanto, esta frecuencia se puede filtrar sin pérdida de información.
Otro problema que evita es la necesidad de filtros externos, ya que al trabajar con una
frecuencia fija y muy pequeña, estos filtros se pueden diseñar integrados. Otros
problemas que evita esta arquitectura pueden ser vistos en el documento redactado en
inglés.
El principal inconveniente de la arquitectura de baja frecuencia intermedia es el problema
del rechazo de la frecuencia imagen.
El problema del rechazo de la imagen consiste en lo siguiente. Cuando la señal de radio
frecuencia es recibida por la antena, un filtro de preselección puede usarse para eliminar
las componentes frecuenciales fuera de la banda de interés. Sin embargo, debido a que la
frecuencia intermedia utilizada por esta arquitectura es muy pequeña, interferencias
situadas por debajo de la frecuencia de la señal deseada a una distancia de dos veces la
frecuencia intermedia (llamadas señales imagen) requerirían de filtros de frecuencia muy
complicados para eliminarla. Por tanto un filtro de preselección no puede ser usado para
eliminar esta frecuencia.
Por otro lado, cuando la señal de radiofrecuencia (señal deseada) es convertida a la
frecuencia intermedia, la señal imagen es convertida a menos la frecuencia intermedia.
Debido a las propiedades del espectro en frecuencia, esta señal imagen aparece a la
misma frecuencia que la señal deseada como puede verse en la figura 3.2. Por tanto, un
filtro de frecuencia tampoco puede ser usado para el rechazo de la señal imagen.
En este caso, lo que hace la arquitectura de baja frecuencia intermedia es eliminar la señal
imagen jugando con la fase de la señal. Hay varias formas de realizar esto. Algunas de
ellas son explicadas en el documento redactado en inglés. Para rechazar la imagen en este
proyecto se utiliza un filtro de polifase de dos etapas. Este filtro es una de las partes
fundamentales de este trabajo y su funcionamiento será explicado en un capítulo
posterior.
http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/261/1/pfc2266.pdf
Danny Camperos CRF
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